Pomiar wydłużenia

Materiały mogą deformować się pod wpływem czynników termicznych i mechanicznych. Przykładem takiej zmiany kształtu jest wydłużenie. Jest to termin używany do opisania względnej zmiany długości komponentu lub materiału pod wpływem naprężeń mechanicznych (siły) lub ciepła i zimna. Jeśli siła jest wywierana na komponent z zewnątrz, ulega on wydłużeniu (wydłużenie dodatnie, wydłużenie). Wydłużenia, które występują jako reakcja na zastosowanie siły, powodują deformację materiału. Jeśli komponent jest wystawiony na działanie ciśnienia, zostaje ściśnięty (skrócony, wydłużenie ujemne). Jeśli materiał doświadcza zmiany temperatury, która zwiększa jego wymiary, jest to zwane wydłużeniem termicznym. Wysokie temperatury powodują dodatnie wydłużenie termiczne, a niskie - ujemne. Ponadto występuje rozciąganie spowodowane naprężeniami wewnętrznymi. Deformacje te występują podczas kucia i spawania komponentów. Ponadto istnieją wydłużenia spowodowane polem magnetycznym lub polem elektrycznym.

Aby obliczyć wydłużenie materiału, zmiana długości jest dzielona przez pierwotną długość i podawana w mikrometrach na metr (μm/m). W przypadku wielu materiałów wydłużenie jest proporcjonalne do działającej siły. Rozciąganie może wystąpić w kierunku wzdłużnym lub w wyniku skurczu poprzecznego w kierunku działania siły. Jeśli siły rozciągające, ściskające i ścinające działają razem, wynikiem jest wydłużenie we wszystkich kierunkach. Te złożone deformacje mogą być również symulowane na komputerze.

Materiały różnią się pod względem wydłużenia: Stal odkształca się mniej pod wpływem siły niż guma. Tytan nie wydłuża się tak bardzo pod wpływem ciepła jak aluminium. Przyczyna wydłużenia komponentów jest wskazywana przez współczynniki materiałowe lub moduły. Jeśli chodzi o naprężenia mechaniczne, wydłużenie jest reprezentowane przez moduł sprężystości. Współczynnik wydłużenia termicznego opisuje wydłużenie spowodowane działaniem ciepła. Duża liczba materiałów rozszerza się równomiernie we wszystkich kierunkach. W przeciwieństwie do tego wydłużenie spowodowane naprężeniem mechanicznym zwykle odbywa się w kierunku działania tej siły. Wydłużenie można obliczyć, a także zmierzyć eksperymentalnie.

Metody pomiaru wydłużenia, które są obecnie powszechnie stosowane, to pomiar elektryczny i optyczny za pomocą pasków do pomiaru wydłużenia (EMS). Jeśli EMS jest wykonany z folii metalowej, może być używany do pomiaru wydłużeń od 1/100 do 1/10 μm / m. Półprzewodnikowe czujniki EMS umożliwiają precyzyjne wykrywanie zmian długości w zakresie od 1/1000 do 1/100 μm/m. Pasek pomiaru wydłużenia zawsze wskazuje średnie wydłużenie materiału, do którego jest przymocowany za pomocą specjalnego kleju. W zależności od warunków środowiskowych stosowane są EMS o różnych rozmiarach.

Paski do pomiaru wydłużenia elektrycznego są również znane jako paski do pomiaru wydłużenia folii. Są one dostępne od ponad 80 lat i składają się z dwóch cienkich folii poliamidowych ze zintegrowaną siatką pomiarową wykonaną z konstantanu. Do pomiaru zwykle używane są obwody mostkowe. Zamiast metalowej siatki pomiarowej można również użyć siatki krzemowej (półprzewodnikowy EMS). Takie paski do pomiaru wydłużenia są znacznie bardziej czułe niż metalowe EMS. Elektryczne paski pomiarowe mają rozmiar od 0,2 do 150 mm. Przy konwencjonalnym pomiarze możliwe są odchyłki od 0,1 do 1% od wartości pełnej skali.

Podczas rozciągania rezystancja siatki pomiarowej wzrasta, przez co ulega ona odkształceniu. Czułość w wykrywaniu deformacji różni się w zależności od półprzewodnika EMS i orientacji kryształu i krzemu (n lub p). Te EMS dostarczają bezbłędne wyniki pomiarów w zakresie częstotliwości od 5 do 8 MHz. Maksymalne napięcie robocze zależy od rozmiaru paska pomiarowego i materiału. Typowe rozmiary EMS, które przylegają do dobrych przewodników ciepła, mogą wytrzymać napięcie od 5 do 10 V. Optyczny pomiar wydłużenia odbywa się za pomocą czujników światłowodowych (FOS), które są przyklejone lub przyspawane do odpowiedniego materiału.

Te optyczne paski do pomiaru wydłużenia są również znane jako czujniki z siatką Bragga. Są one niewrażliwe na zakłócenia elektromagnetyczne i inne niekorzystne warunki. Są one zatem stosowane, gdy nie można użyć elektrycznego EMS, na przykład w temperaturach od -270 do 300°C. Optyczny EMS ma rdzeń z włókna szklanego powlekany tworzywem sztucznym, który jest otoczony gęstszym płaszczem i ochronną powłoką z tworzywa sztucznego. Włókno zawiera kilka siatek Bragga. Jeśli światło lasera wprowadzane z zewnątrz przez interrogator trafi w tę siatkę, niektóre wiązki światła są odbijane i wysyłane z powrotem do interrogatora. Na tej podstawie można określić naprężenia w materiale i deformacje.

Jeśli włókno zostanie rozciągnięte podczas pomiaru wydłużenia, odległości między częściami siatki zwiększą się. Jednocześnie zmienia się długość fali odbitego światła. Ponieważ każde włókno może zawierać niezliczoną liczbę siatek Bragga, ten pomiar wydłużenia jest odpowiedni do monitorowania rurociągów i tuneli. W przeciwieństwie do elektrycznego pomiaru wydłużenia, w którym każdy EMS musi być podłączony do oddzielnego kabla przyłączeniowego, pojedyncze włókno szklane jest wystarczające dla optycznego EMS. Oszczędza to nakład pracy i koszty związane z instalacją.

Pomiary wydłużenia umożliwiają określenie nawet bardzo małych zmian kształtu i naprężenia z niezwykłą precyzją oraz najwyższą dokładnością i można je stosować niemal uniwersalnie za pomocą różnych pasków do pomiaru wydłużenia. Komponenty mogą być monitorowane przez lata. Pomiary wydłużenia mogą być również przeprowadzane na złożonych komponentach (obudowa wykonana z odlewanego ciśnieniowo aluminium, prowadnice turbiny) i pod wodą za pomocą EMS.

Pomiar wydłużenia można również przeprowadzić za pomocą optycznych systemów pomiarowych z kamerami o wysokiej rozdzielczości, takich jak system ARAMIS firmy ZEISS. Materiał, który ma być testowany, należy wcześniej jedynie oznaczyć siatką pomiarową za pomocą lasera znakującego. Podczas gdy materiał jest deformowany, dwie kamery wykonują zdjęcia. Pomiar wydłużenia 3D może być również przeprowadzany na komponentach o złożonej geometrii. Na podstawie zmierzonych współrzędnych pikseli nałożonego wzoru można precyzyjnie obliczyć wydłużenia za pomocą specjalnego oprogramowania ZEISS. Optyczny system pomiarowy może być zamontowany na stałe na odpowiedniej maszynie wytrzymałościowej.

Pomiary wydłużenia są przeprowadzane przy użyciu różnych metod, które są ograniczone do określonych obszarów zastosowań. Same pomiary są wszechstronne i mogą być wykorzystywane w różnych branżach.